3-39 曲面壳体热拉深成形及有限元模拟

周朝辉吉卫曹海桥

　　以曲面壳体为对象，运用有限元模拟技术，结合工艺试验，研究了有限元模拟的实用性和准确性。用典型厚板热拉深零件－封头的计算方法简化曲面壳体的工艺分析，属于中等壁厚，用一般方法一次拉深成形。根据理论和实际生产经验，设计了拉深凸凹模，建立了三维有限元模型并进行了模拟计算，在拉深过程中，询问过渡圆角处产生严重变薄直至破裂。为验证模拟的准确性，设计了相应的模具并进行了对比试验，结果壳体底部被拉裂。由于板料的各向异性，裂纹开始在约1/4圆周上出现，直至拉深结束，还未扩展到整个圆周上。通过模拟，准确地预测了缺陷的产生。

　　由一次拉深模拟及试验情况来看，将此壳体划为中等壁厚类是不准确的，未考虑其高度尺寸。应将其列为薄壁类，而薄壁类壳体成形较难，用一般拉深方法会出现鼓包、皱折或拉断等缺陷。应采用二次或二次以上的多次拉深方法。第一次，用大的凸、凹模拉深成球形，第二次，用终成形凸凹模拉深成曲面壳体。建立模型并进行了模拟，模拟结果显示，二次拉深可成形出完整的工件，但在过渡圆角R68.5处仍有明显变薄，而且不贴模，需要加一道整形工序或重新设计凸模，改变其圆角半径。整形后可满足机加余量要求。进行二次拉深对比试验，首次试验未加整形工序，成形后检测，在过渡圆角处果然出现不贴模现象。再次试验在第二次拉深结束时增加一道整形工序，即在拉深凹模下放置一整形凹模，拉深结束后凸模继续下行，至整形模中整形，使其完全贴模，得到了合格的工件。结果表明此方案可行，经试验对比，验证了模拟结果的正确性。

　　由此可得以下结论：(1) 曲面壳体在工艺分析时不仅要考虑厚度，还必须考虑高度尺寸，当高径比大于0.9时，类似于文中介绍的曲面壳体，可将其划为薄壁件；(2) 曲面壳体采用二次拉深，可有效降低变形程度，消除成形缺陷；(3) 对于过渡圆角处的不贴模，可增加一道整形工序，也可考虑增大第二次拉深凸模过渡圆角半径，或者是第一次拉深凸模头部设计为接近终锻件底部曲率半径；(4) 采用有限元模拟曲面壳体热拉深成形，可分析制件应力、应变、温度分布，并进行缺陷预测，帮助设计人员设计模具和工艺流程，减少昂贵的现场试验成本，提高模具设计效率，降低生产和材料成本，具有较高的实用价值。